1、基础知识
; ]0 j: {& `9 _. y: f0 m等级划分：



接口类型：


. H% x4 D% ]# }( N: I2 j
$ S/ t: y/ O* X. ~6 v) GSTM32基础型(F1系列)所带的USB是全速。
$ R, }' C/ [! q% \
9 w5 `& @& N7 b# O) c- W2、电气属性
  z9 t& v+ S: B! u7 U$ _( HUSB的通信都是由主机发起的，这一点与IIC协议是类似的。

2.1 数据线
8 B5 }( m4 t* |0 _1 h% TUSB使用差分传输模式，有两条数据线，分别是：

USB数据正信号线，USB Data Positive，即USB-DP线，简写为D+
$ Z! A- V# l+ t% d1 u, [" n2 D- ^8 c1 f0 BUSB数据负信号线，USB Data Minus， 即USB-DM线，简写为D-

剩下的就是电源线(5V-Vbus)和地线(GND)。
+ Z: W7 v% j5 d: D8 a
- r8 |. V+ O' l2.2 USB主机是如何识别设备是高速设备/全速设备/低速设备？
) \4 R* C$ |" c; p. E主机的D+和D-都接有15K下拉电阻。
. q+ `' Y. l+ z! i# `' t! Z6 E
6 t  F0 ]1 J* t3 w7 }$ R7 e全速USB设备的数据线D+接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D+被拉高
低速USB设备的数据线D-接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D-会被拉高
9 @+ G) M# C0 i& n2 [. h2 D. q
' t6 }6 H6 D$ P5 b
因此，主机就可以根据检测到自己的D+为高还是D-为高，从而判断接入的设备是一个全速还是低速设备。
: U' y: N% V2 ?
5 K6 c; |: J; N5 P/ o+ ]4 j; O所以你可以看到STM32板子上的USB口D+有一个上拉电阻，而且是必须有的：

% F  Q; f/ E3 z/ ?2 [: G& `
. p1 I! n' ^, ]+ t9 B
8 ]# H2 q% i7 U0 L3、USB设备分类
5 @4 J) [( X3 a/ F( ~

  P' M4 B* A% \- M/ k- f
看一个CDC虚拟串口的设备分类：


* \2 d1 y  x( N6 |
在看一个MSC的（模拟U盘）：
, {: m/ \6 m* s5 }


不同的类有不同的用途；不同的应用场合对应不同的产品形态；不同的产品形态可能会有自己特殊的描述符，比如： HID类有报告描述符、CDC类有ACM、Union描述符等。
4 F$ M2 X3 i( d
4、描述符详解
以STM32里的MSC设备为例，MSC类所需要的描述符有：设备描述符+配置描述符+接口描述符(数量由配置描述符里的bNumInterfaces字段决定)+端点描述符(数量由配置描述符里的bNumEndpoints决定)，所以MSC类结构就是这样的：
1 E! u! n* v' M
* n1 c+ r% G7 p" H6 f

1. 配置描述符
   9 _2 Z, g2 J9 Z8 c0 O1 I, x
2. {
   
3.         接口描述符1
   3 _& d! M0 r5 Z
4.         {
   
5.                 端点描述符1
   , I3 ]0 q/ C3 z% q5 f9 j' U0 A/ ~$ Z
6.                 {
   - h" V! j+ t+ J0 L
7.                         
   4 H1 D# H7 j! H9 n2 `
8.                 }
   & ]# v" m4 W/ p7 `: R2 i! T' ~4 @9 {/ w
9.                 端点描述符2
   * }1 ?  n( u* b3 o7 }$ W2 d$ ^/ V
10.                 {
    
11.                         
    
12.                 }
    ; M3 B- Z# \2 f1 K; C. K+ N6 H
13.         }
    
14. }

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$ p4 D* }+ p: s6 R. T而CDC类是这样的：
8 {+ E3 S7 G+ v8 h7 N' a- h! D' G7 t

1. 配置描述符
   
2. {
   
3.         接口描述符1（通信接口）
   0 l& Q. i) n3 w; w8 F4 k& Q' y
4.         {
   9 f9 Z/ r6 h  f1 S
5.                 其他描述符（特殊描述符）
   5 D0 q# ?: Z5 K
6.                 {
   
7.                         /*Header Functional Descriptor*/
   # h, F- A, i! g8 o) p9 ~
8.                         /*Call Management Functional Descriptor*/
   , M' k9 {$ l' N0 @' f3 E# F" P
9.                         /*ACM Functional Descriptor*/
   7 D, F4 h5 _- |: M
10.                         /*Union Functional Descriptor*/
    
11.                 }
    
12.                 端点描述符(命令端点)
    
13.                 {
    
14.                         
    
15.                 }
    9 P6 g% F! i% U, J( J
16.         }
    - }" C. _3 `! k9 P- {9 ~9 M6 W
17.         接口描述符2（数据接口）
    
18.         {
    
19.                 端点描述符1（输出端口）
    0 ?& O. J  a& ~: E8 v( c/ ?
20.                 {
    ( X# Y- A: P3 i( m: ?6 P
21.                         
    
22.                 }
    . w5 \* e% m6 |2 [4 \8 Z
23.                 端点描述符2（输入端口）
      Q3 u0 f  R3 q" H8 N6 @
24.                 {
    % Z9 x% {3 Q4 C7 ]  P
25.                         
    0 M2 T+ P# ]9 o+ {% ~
26.                 }
    8 Z( \% r4 T' b. ?9 M) D1 D6 l$ G
27.         }
    4 P5 `1 q- O9 d! k7 i6 c0 U* p
28. }
    

复制代码

9 {# `' @9 j! u! s( m/ V& l" L4.1 设备描述符
! c2 L0 j2 ^: e+ w; u0 X2 ]每个USB设备都必须且只有一个设备描述符，摘取一下STM32的MSC设备里的实例代码：
: I) M! f0 i8 c6 l! k& I0 a9 A' Y
5 H2 u# f% ?( N& B

每个字段的含义：
- U2 h4 q+ N1 sbLength：描述符大小．固定为0x12；
. J% ], e% i  [6 gbDescriptorType：设备描述符类型．固定为0x01；
bcdUSB：USB 规范发布号．表示了本设备能适用于那种协议，如2.0=0200，1.1=0110；
bDeviceClass：类型代码（由USB指定）。当它的值是0时，表示所有接口在配置描述符里，并且所有接口是独立的。当它的值是1到FEH时，表示不同的接口关联的。当它的值是FFH时，它是厂商自己定义的；
bDeviceSubClass：子类型代码（由USB分配），如果 bDeviceClass值是0，一定要设置为0。其它情况就跟据USB-IF组织定义的编码；
9 A% Z; s$ \% l* ^  E: F4 cbDeviceProtocol：协议代码（由USB分配），如果使用USB-IF组织定义的协议，就需要设置这里的值，否则直接设置为0。如果厂商自己定义的可以设置为FFH；
bMaxPacketSize0：端点０最大分组大小（只有8,16,32,64有效）；
+ @3 x2 X6 ?+ J( KidVendor：供应商ID（由USB分配）；
) K1 S: J6 n4 [/ _idProduct ： 产品ID（由厂商分配)，由供应商ID和产品ID，就可以让操作系统加载不同的驱动程序
' |% F6 @* R9 z. a/ v8 N6 `# i9 S; a# TbcdDevice ：设备出产编码．由厂家自行设置；
iManufacturer ：厂商描述符字符串索引．索引到对应的字符串描述符． 为０则表示没有；
$ @# V+ H" o8 KiProduct ：产品描述符字符串索引．同上；
- R* i. @8 o+ m+ Y; HiSerialNumber：设备序列号字符串索引．同上；
4 V" Z% ?1 V* w& n" R2 I. f! I0 |bNumConfigurations ：可能的配置数．指配置字符串的个数。
, d; y; v: ]$ n" I$ Y* R( C/ T, w
4.2 配置描述符
) F" c  A/ b3 Y配置描述符定义了设备的配置信息，一个设备可以有多个配置描述符。摘一个STM32的MSC设备的配置描述符：
# l; H/ I/ @! c; W


' C5 t$ C; z3 P6 L4 Z# m/ b用C语言组合就是这样的一个结构：
; y4 {7 M8 ?1 k% l5 Q" C
) O4 z* K6 k9 z6 K- O- X

1. typedef struct _USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_
   
2. {
   
3.     BYTE      bLength,
   8 {4 D/ o& z$ T
4.     BYTE      bDescriptorType,
   
5.     uint16_t  wTotalLength,
   + H: t5 j/ n: }7 L2 k6 D
6.     BYTE      bNumInterfaces,
   ( g/ _9 o2 X2 |3 I- t
7.     BYTE      bConfigurationValue,
   ' C- B+ @4 X! f0 i1 W( ~) `/ g  k
8.     BYTE      iConfiguration,
   * @; {; |/ \$ {
9.     BYTE      bmAttributes,
   ) l* o0 u# u) u! r8 v. C
10.     BYTE      MaxPower
    
11. }USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR;
    

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每个字段含义如下：
! `3 J  ~7 i# j2 v" QbLength：描述符大小，固定为0x09．
bDescriptorType：配置描述符类型，固定为0x02．
. P4 t5 J7 L) U% IwTotalLength：返回整个数据的长度，指此配置返回的配置描述符，接口描述符以及端点描述符的全部大小
bNumInterfaces：配置所支持的接口数。指该配置配备的接口数量也表示该配置下接口描述符数量
: B- C6 _/ E/ _" ^! pbConfigurationValue：作为Set Configuration的一个参数选择配置值
5 G6 k+ I2 Z, NiConfiguration：用于描述该配置字符串描述符的索引
bmAttributes：供电模式选择，Bit4-0保留，D7:总线供电，D6:自供电，D5:远程唤醒
3 p9 P8 t2 C) z! G/ FMaxPower：总线供电的USB设备的最大消耗电流．以2mA为单位

! R! p3 S( t- o3 i6 q5 y; Q2 A4.3 接口描述符
接口描述符说明了接口所提供的配置，一个配置所拥有的接口数量通过配置描述符的bNumInterfaces决定，摘取STM32的MSC设备类的接口描述符：

6 e3 ~( K& t9 k' R; t: R. K
3 F5 H" B& T; w, Y
用C语言组合就是这样的一个结构：
; h+ p) B* k9 H3 y$ h1 U

1. typedef struct _USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_
   3 `, ?* r5 j0 f! H+ G3 p/ _
2. {
   * t+ x/ z. m1 r6 g4 E! a
3.     BYTE      bLength,
   
4.     BYTE      bDescriptorType,
   
5.     BYTE      bInterfaceNumber,
   
6.     BYTE      bAlternateSetting,
   
7.     BYTE      bNumEndpoint,
   2 \) Q" }6 r  L3 N' b' \8 ^( M
8.     BYTE      bInterfaceClass,
   
9.     BYTE      bInterfaceSubClass,
   ' v/ T3 x) M8 q0 s5 c3 l
10.     BYTE      bInterfaceProtocol,
    * G& O2 Z: G7 a1 p% p" N$ @# E9 o6 X1 m
11.     BYTE      iInterface
    
12. }USB_INTERFACE_DESCRIPTOR;
    

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+ ?) U2 T9 G7 V每个字段含义如下：

bLength : 描述符大小．固定为0x09．
bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x04．
3 q! X! r1 t* ]$ s$ BbInterfaceNumber: 该接口的编号．
' \5 |3 P; L) [: [bAlternateSetting : 用于为上一个字段选择可供替换的位置．即备用的接口描述符标号．
% r9 O4 s4 y: x% D! TbNumEndpoint : 使用的端点数目．端点０除外．
. q8 }8 L* I; ?# p+ ~' i& ibInterfaceClass : 类型代码（由USB分配）．
. p0 n. W* T: i( o0 J  ?bInterfaceSubClass : 子类型代码（由USB分配）．
bInterfaceProtocol : 协议代码（由USB分配）．
iInterface : 字符串描述符的索引
  u6 V+ S) B! a7 i1 m/ `
4.4 端点描述符
USB设备中的每个端点都有自己的端点描述符，由接口描述符中的bNumEndpoint决定其数量。摘取STM32的MSC设备类的端口描述符：
2 s1 c; x  t$ p; o1 ~/ {
, [3 A7 W$ }+ }4 D

用C语言组合就是这样的一个结构：
' z2 s- J0 t$ P6 u! p* @
) w- E& u8 E; A4 q  ?

1. typedef struct _USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_
   9 f, {4 J% g: P1 G
2. {
   0 F* K" S* z+ Y; G& X
3.     BYTE        bLength,
   
4.     BYTE        bDescriptorType,
   1 C  j; U4 A4 C
5.     BYTE        bEndpointAddress,
   & V) r& I3 y7 u0 I4 |
6.     BYTE        bmAttributes,
   5 c7 H/ p0 I7 O7 ?; n( l: t
7.     uint16_t    wMaxPacketSize,
   
8.     BYTE        bInterval
   
9. }USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR;
   

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每个字段含义如下：
/ _' {9 W$ ]6 [
bLength : 描述符大小．固定为0x07
bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x05
% U* `& R$ f) h" ]& _5 Q; U# @8 dbEndpointType : USB设备的端点地址．Bit7决定方向，1为IN端点，0为OUT端点，对于控制端点可以忽略；Bit6-4，保留；BIt3-0：端点号
bmAttributes : 端点属性．Bit7-2，保留．BIt1-0：00控制，01同步，02批量，03中断
wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小
5 v3 y0 r6 T& ]9 ibInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔．对于批量传送和控制传送的端点忽略．对于同步传送的端点，必须为１，对于中断传送的端点，范围为1-255


4.5 字符串描述符
9 W' q! a1 U4 y" y字符串描述符是可选的，如果不支持字符串描述符，其设备描述符、配置描述符、接口描述符内的所有字符串描述符索引都必须为0。
2 h% _" d( Z7 \" }$ {% ^
字符串描述符结构如下：
; P% F5 s4 G% Q! M* W
" O* ?7 m, U/ ~2 B( w+ H

1. typedef struct _USB_STRING_DESCRIPTION_
   
2. {
   6 {  g6 U1 f7 v( h
3.     BYTE      bLength,
   
4.     BYTE      bDescriptionType,
   
5.     BYTE      bString[1];
   : h% o7 K) r! ?" F: ~
6. }USB_STRING_DESCRIPTION;

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各个字段含义：

0 \4 v/ j  C# P! w0 ebLength : 描述符大小．由整个字符串的长度加上bLength和bDescriptorType的长度决定．
# [" |- D  L, }) B. JbDescriptorType : 接口描述符类型，固定为0x03．
6 h' u" f! ?0 b% c5 _, tbString[1] : Unicode编码字符串

6 J# `; Y+ j6 s% m& X0 N0 p4.6 IAD描述符
# P" h0 F5 H% g& \3 kUSB组合设备一般用Interface Association Descriptor（IAD）实现，就是在要合并的接口前加上IAD描述符。例如你想用一个硬件USB接口实现两个功能，又能到U盘又能当虚拟串口，那么在USB配置描述符中就需要加上IAD描述符来指明。
$ G" `1 Y4 H& [& l, e) K. N1 B' h

1. typedef struct _USBInterfaceAssociationDescriptor
   5 x1 j6 l( R* Q2 g4 x
2. {
   
3.     BYTE  bLength:                  0x08        //描述符大小，固定
   
4.     BYTE  bDescriptorType:          0x0B        //IAD描述符类型，固定
   
5.     BYTE  bFirstInterface:          0x00        //起始接口编号
   & N. {. R* j% J& Q/ C
6.     BYTE  bInterfaceCount:          0x02        //本个IAD下设备类的接口数量
   
7.     BYTE  bFunctionClass:           0x0E        //类型代码，本个IAD指示的是什么类型的设备，例如CDC是0X02，MSC是0X08
   * `/ u2 M1 ^) q) j* K& z( Q
8.     BYTE  bFunctionSubClass:        0x03        //子类型代码
   
9.     BYTE  bFunctionProtocol:        0x00        //协议代码
   
10.     BYTE  iFunction:                0x04        //描述字符串索引
    
11. }

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以MSC+CDC为例，他的配置描述符结构就是这样的：

1. 配置描述符
   9 ^8 P8 x8 D+ w+ t0 I6 J. k1 T, ~) C
2. {
   1 O* }# @1 |8 k/ u" h+ I, O& W
3.         IAD描述符1（CDC）
   2 B/ N$ W( }: ]& @" @
4.         {
   % I  E( L3 }6 J" Q; _9 E
5.                 接口描述符1（通信接口）
   
6.                 {
   ' U6 C: s$ a5 f4 A; J* y4 f
7.                         其他描述符（特殊描述符）
   
8.                         {
   ) n6 b# B5 U8 j& v! ?& M% [8 E+ F
9.                                 /*Header Functional Descriptor*/
   - S/ z7 L* }' h6 F( q
10.                                 /*Call Management Functional Descriptor*/
    * H! [5 `; U6 P% J, T
11.                                 /*ACM Functional Descriptor*/
    
12.                                 /*Union Functional Descriptor*/
    , K8 p/ n. O" L, u7 C! c
13.                         }
    + B1 e' F$ ]* \1 m, s  }
14.                         端点描述符(命令端点)
    
15.                         {
    
16.                                 
    / B$ o* k' \0 U
17.                         }
    
18.                 }
    2 E7 j% t  C7 b6 G' B" L; E3 S
19.                 接口描述符2（数据接口）
    , f. t/ v0 X1 e8 ?# F# H( c
20.                 {
    ( L& X* s9 J9 l7 P
21.                         端点描述符1（输出端口）
    3 v, b# ?& \. T0 m4 B5 \
22.                         {
    ) ]. I, H3 w, ~
23.                                 
    ( i4 v  E  U' C7 _$ M
24.                         }
    
25.                         端点描述符2（输入端口）
    ' h0 }% |5 P5 [% |/ H9 \* |
26.                         {
    - {4 B: M. d, s0 ?- q, |+ y7 p/ [7 g
27.                                 
    
28.                         }
    
29.                 }
    / g% [% s8 Z) ?9 j7 K
30.         }
    ) Z( D+ a9 y- S' n
31. 
    & \0 A7 R$ ^1 F) E1 {, v  a
32.         IAD描述符(MSC)
    
33.         {
    % R( n/ `& j/ g/ q8 P
34.                 接口描述符1
    
35.                 {
    
36.                         端点描述符1
    
37.                         {
    
38.                                 
    
39.                         }
    4 Y5 ?; @9 B" t3 a. n
40.                         端点描述符2
    
41.                         {
    
42.                                 
    
43.                         }
    
44.                 }
    
45.         }
    
46. }

复制代码

" f  M! ]$ q7 T7 ^5、STM32-USB详解

1 c, u, l6 B- q% @
) Y! h* n6 b& k2 A& a/ Z
0 V, h4 p1 J# K6 J; B4 s这个512字节SRAM叫做Packet Buffer Memory Area(简称PMA)，这个很重要，后面会详细讲解。



5 Y' z; P9 H3 g* Y, ?/ r+ ?( N根据描述可以，一共有8个端点，16个寄存器，一个端点关联两个寄存器，所以我们可以将他们规划为8个输入端点(0x80-0X87)+8个输出端点(0X00-0X07)。

6、STM32-PMA详解
' T. d/ @( N" Y% U% }6 d先说一下USB的数据包大小，全速设备的最大包大小为64字节，高速最大为1024字节。

3 {( H2 W  t  d$ r6 KPacket Buffer Memory Area(简称PMA)

+ \+ X: r& p5 U% A- X# y: KSTM32F1/F3/L1系列都有且结构相同(其他系列暂未考证)，译过来就是包数据缓存区，大小为512字节，按2字节进行寻址。
: X- q: F1 O# {; P# r; U! h! t
这个PMA的作用就是USB设备模块用来实现MCU与主机进行数据通信的一个专门的数据缓冲区，我们称之为USB硬件缓冲区。

说得具体点就是USB模块把来自主机的数据接收进来后先放到PMA，然后再被拷贝到用户数据缓存区；或者MCU要发送到主机的数据，先从用户数据缓存区拷贝进PMA，再通过USB模块负责发送给主机。

很多人利用ST官方的USB库修改自己的USB应用时候卡住，获取改完之后懵懵懂懂出现错误，估计大多数原因就在此处的修改！

摘取一下STM32F1参考手册里的PMA描述表：

1 D1 I0 i5 Z/ L8 t! f- I6 {2 n* s

* q: f0 Y& L0 ?# H4 d6 \, N名称含义：
) M5 A8 |$ i3 s% H
' |& `; M2 k# b- J0 KADDR0_TX：输出端点0发送缓冲区地址
COUNT0_TX：输出端点0发送缓冲区大小
. W% k; a( A, m3 v. lADDR0_RX：输入端点0发送缓冲区地址
& Y, B( p, k3 Q, ACOUNT0_RX：输入端点0发送缓冲区大小
( Z0 o8 A4 |( Y( X6 w
. Z5 G5 U# y  m6 n4 q4 g  u' C可以看到一个完整的端点描述包括：缓冲区地址+缓冲区大小。
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PMA的头部为端点的描述，每个端点占8个字节，实际使用了几个端点就有几个描述头，例如使用了0、1、2这三个连续端点（这里注意是连续端点），那么PMA头部的3x8=24(十六进制的0X18)字节就是描述，倘若你使用的是0、1、3这三个端点，其中编号为2的端点虽然没使用但是占用空间，那么PMA头部的端点描述就是4x8=32字节，编号为2的端点8字节的空间就浪费了(严格来说没浪费，就是不方便使用)。
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头部的端点描述之后就是各个端点的缓冲区了，例如使用了0、1、2三个端点，占用了PMA头部3x8=24字节的空间，那么这三个端点的缓冲区地址就是从PMA偏移24字节开始的，当然只要是大于24就都可以，这里就是最关键的地方了，很多人修改ST官方库实现自己USB应用时候就是没改这里的地址，导致缓冲区的使用覆盖了PMA头部的端点描述从而出错！
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下面摘取一个STM32官方MSC设备的实例进行分析：

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可以看到一共用到了4个端点，分别是输入端点0X80和0X81，输出端点0X00和0X01，其中0X00端点和0X80端点是供USB使用必须有的，0X81和0X01端点则是MSC设备输入输出端点。
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那么一共使用了4个端点，按理来说PMA头部的端点描述大小应该是4X8=32(十六进制的0X20)字节，0X20之后的才是各个端点缓冲区，但是ST这里的却是从0X18开始，也就是说使用了三个端点，这个地方我还没有搞明白为什么，欢迎各位补充！

) _; x, u- R5 s8 K. A至于为什么0X18之后是0X58，是因为USB全速设备的最大包是64字节(十进制的0X40)，所以这里PMA的划分就是：

头部0X18字节为各个端点的描述
0X18地址开始的64字节为输出端点0的缓冲区
. ?8 P& @+ {, c  U$ \0X58地址开始的64字节为输入端点0的缓冲区
. |" k! e. g: a$ s" Q0X98地址开始的64字节为输出端点1的缓冲区
) a& R" F9 \8 A9 o, j5 ?0XD8地址开始的64字节为输入端点1的缓冲区


, A+ F* i" n* I! @1 G( M& B这里注意一点，缓冲区分配好之后访问是不会溢出的，也就是说缓冲区之间完全隔离。